A NNALES DE L ’I. H. P., SECTION A
M ARIE -C LAIRE B ARTHÉLEMY
Contribution à l’étude de la diffusion par un potentiel central dans la théorie de l’électron de Dirac. I
Annales de l’I. H. P., section A, tome 6, n
o4 (1967), p. 365-393
<http://www.numdam.org/item?id=AIHPA_1967__6_4_365_0>
© Gauthier-Villars, 1967, tous droits réservés.
L’accès aux archives de la revue « Annales de l’I. H. P., section A » implique l’accord avec les conditions générales d’utilisation (http://www.numdam.
org/conditions). Toute utilisation commerciale ou impression systématique est constitutive d’une infraction pénale. Toute copie ou impression de ce fichier doit contenir la présente mention de copyright.
Article numérisé dans le cadre du programme Numérisation de documents anciens mathématiques
http://www.numdam.org/
p. 365
Contribution à l’étude de la diffusion
par
unpotentiel central
dans la théorie de l’électron de Dirac. I.
Marie-Claire
BARTHÉLEMY (Institut
HenriPoincaré).
Ann. Inst. Henri Poincaré, Vol. VI, n°
4, 1967,
Section A :
Physique théorique.
SOMMAIRE. - Cet article constitue la
première partie
d’un travail d’ensem-ble consacré à l’étude de la diffusion par un
potentiel
central dans la théoriede l’électron de Dirac.
Après
avoir examiné lespropriétés
des fonctions proprescp)
del’opérateur
U =«4[(L . a)
+%],
nous montrons que lesystème orthonormé
des
cp)
vérifie une relation de Parseval. Ledéveloppement
de lapartie
stationnaire de l’ondeplane
sur les fonctions propres de U et la méthode desdéphasages
nouspermettent
ensuite d’obtenir uneexpression simple
de lasection
efficace de diffusion et del’amplitude
de diffusion.L’approximation
de Born pour lesdéphasages
ainsi que le théorèmeoptique
sont discutés.
ABSTRACT. - This is the first of three articles about a
study
ofpotential scattering
in the Dirac electrontheory.
In this part, the
eigenfunctions cp)
of theoperator
U =(X4[(L . 6)
+]
areinvestigated.
We prove that theseeigenfunctions
form a
complete
set in the sense that we cansimultaneously expand
fourarbitrary
functions of 0 and cp in terms of them. Theexpansion
of the time-independant plane
wavepart
in terms ofeigenfunctions
of U andthe
phase-shifts
method allow us to obtain asimple expression
of thescattering
cross-section and of thescattering amplitude.
Bornapproxi-
mation is then studied for the
phase-shifts.
Theapplication
at theoptical
theorem conclude this article.
De nombreux ouvrages ont été consacrés à l’étude de la diffusion d’une
particule
par unchamp potentiel
central. Ces travaux ont été réunis essen-tiellement dans le cas non relativiste par N. F. Mott et H. S. W.
Massey [1],
H. S. W.
Massey [2],
Wu et Ohmura[3] qui
donnent de nombreuses réfé-rences.
Notre but a été de
reprendre
cette étude dans le casrelativiste, plus
exac-tement dans le cas de l’électron de Dirac en interaction avec un
potentiel électrostatique
central.Plusieurs auteurs ont
déjà
étudié ceproblème
notamment G. Parzen[4],
Tietz
[5]
dans le cas d’unpotentiel
centralquelconque
et D. M.Fradkin,
T. A.
Weber,
C. L. Hammer[6],
R. L. Gluckstern et S. R. Lin[7],
A. Baker[8]
dans le cas du
potentiel
coulombien.Dans le
premier chapitre,
nousrappelons quelques points
de la théorie de l’électron de Dirac et nous mettons en évidence unsystème
de fonctions des variablesangulaires
0et p
àquatre composantes,
orthonormécomplet, qui
nous sera utile dans la suite.Le second
chapitre
est consacré à la méthode desdéphasages.
Cette méthode’ a été introduite en
mécanique quantique
par Faxen et Holtz-mark
[9]
et estanalogue
à une méthodeemployée
par LordRayleigh
dansla théorie
classique
de la diffusion. Elle fut d’abordappliquée
àl’équation
de Dirac par Mott
[10]
dans le calcul de la diffusion coulombienne des électronsrapides. Reprise
par Parzen[4]
pour l’électron dans unchamp électrique,
elle utilise desdéveloppements
sur les fonctions deLegendre pr (cos 0)
comme dans le cas del’équation
deSchrodinger, chaque
compo-sante de la fonction d’onde étant
développée séparément.
En théorie de
Dirac, puisque
le momentcinétique
orbitral L n’estplus
une
intégrale première,
il nous a semblépréférable
de substituer au nombrequantique
orbital l le nombrequantique
x, - x valeur propre del’opéra-
teur U = +
~),
U étantintégrale première [11].
Les fonctions d’ondes seront
développées
sur lesystème
orthonormécomplet
de fonctions propres de U mis en évidence dans lepremier chapitre.
Ceci nous conduira à une
expression
de la section efficace dediffusion,
del’amplitude
dediffusion,
au théorèmeoptique
et àl’approximation
de Bornpour les
déphasages.
Dans un troisième et un
quatrième chapitre,
nous étudierons lesproprié-
tés des fonctions d’ondes radiales et d’autres
quantités
enrapport
avecl’analyse
en ondespartielles
de la théorie de ladiffusion,
comme fonctionde la
quantité
de mouvement réduite k.367
POTENTIEL CENTRAL DANS LA THÉORIE DE L’ÉLECTRON DE DIRAC
Cette étude a été faite par R. G. Newton
[12]
dans le cas del’équation
non relativiste de
Schrôdinger.
Nous ladévelopperons
dans le cas del’équa-
tion relativiste de Dirac.
Les
chapitre
1 et II constituent lapremière partie
de notre travail.Les
chapitres
III et IV ferontl’objet
d’une secondepartie.
I. - FORMALISME
GÉNÉRAL
Considérons un faisceau de
particules
incidentes sepropageant
dans la direction de l’axeOz,
tombant sur un centre diffuseur situé àl’origine
descoordonnées.
Ces
particules
sont décrites parl’équation
de Dirac :,
-+ C~
dans
laquelle
nous avons utilisé les est~x la masse
réduite,
les matrices «x sont telles que + =28xv,
X, v =1, 2, 3, 4).
V(r)
est unpotentiel dépendant
seulement de r et tendant vers zéroplus
viteque 1 r2 quand
r tend vers + oo.Si toutes les
particules
du faisceau incident ont la même masse et lamême vitesse initiale v, on
peut représenter
lapartie indépendante
du temps de l’ondeplane,
solution du cas V =0,
par étant unspineur
à
quatre composantes (X
=1, 2, 3, 4).
Si les électrons diffusés sont
représentés
par une ondesphérique
diver-eikr
gente, qui,
àgrandes
distances dudiffuseur,
a la formeg03BB(03B8, p) - , (gx (0,p)
étant un
spineur
àquatre composantes),
la section efficace différentielle estalors :
368
Par
suite,
pour déterminer la section efficacedifférentielle,
nous devonschercher une solution de
l’équation
de Dirac stationnaire pour le mouve- ment d’électronsd’énergie
E dans unchamp d’énergie potentielle V(r), possédant
lecomportement asymptotique :
1.
Séparation
des variables.Nous suivons ici une méthode due à Dirac
[11]
etdéveloppée
parTemple [13],
Sauter[14]
et Sommerfeld[15].
,Le
potentiel
étantstatique,
nous pouvons considérer les fonctions d’ondes de la formet)
=6, L’équation
de Diracindépendante
du temps s’écrit :
ou encore = avec H =
(x .p)
-~- ~.x4 -~--V(r).
Nous savons
[11]
quel’opérateur
U =x4(L.
a -~-1)
estintégrale
pre- mière et queSoit
6, cp)
une solution del’équation (1-1)
pourlaquelle :
L’équation (1-1)
s’écrit :en
appelant :
on remarque que
p~2
==I
i =ip; ;
ippoQ +
== 0(p # q)
et, parsuite,
il existe une transformation unitaire S telle queS-lppS
= pp ; les matrices pi, ps? P3 étantrespectivement :
POTENTIEL CENTRAL DANS LA THÉORIE DE L 9ÉLECfRON DE DIRAC 369
1
désignant
la matrice unité à 2lignes
et 2colonnes,
on a :Si on pose
0, cp)
=S’Y’(x)(r, 0, cp)
on obtient alors :On remarque que
l’opérateur
du second membre ne fait intervenir que la variable r. On peut donc écrire :’F~(~ 0, ?)
=~’’â "~(r)~’’~ "~( 6, ~).
Lesfonctions ~F~(~ cp)
sont les transformées des fonctions propres ortho- normées de U par une transformation unitaire. Enmultipliant
àgauche
par
~’’ , ~x~*t(8, cp) (* désignant
laconjugaison complexe
et t latransposition),
en
intégrant
sur lesangles
et en revenant à ’Y(x) on trouve que :/~(0, (p)
étantfonctions
propres orthonormées de U etFx
etGx
vérifiantle
système :
2.
Fonctions
propres de U.Soit
!(x,m)(6, cp)
une fonction propre de U pour la valeur propre - x telle que :Mz
étant la composante sur Oz du momentcinétique
total M = L +2 a ,
x prenant les valeurs entières
positives
etnégatives,
x # 0. En écrivant :2014~ -+
et en utilisant le fait que ex. commute avec L. a, on trouve les fonctions pro- pres suivantes :
les
harmoniques sphériques
orthonorméesY~(0, p)
étant définies parOn remar ue que pi =
1 0
et Q =1 )
anticommutent avecU,
tandis que x4 commute avec U. On en déduit donc le fait suivant :cp)
est fonction propre de U avec la valeur propre - x,cp)
et
S2 f~x~m~(8, cp)
sont fonctions propres avec la valeur propre + x, tandis quecp)
est fonction propre avec la valeur propre - x.Si
nouschangeons
x en - x, V en -V,
E en - E dans(1-3),
nous remar-quons que
G-x
=Fx
etF-x
=Gx.
Effectuons le même
changement
dans(1-1) ;
on obtient :On passera de
(1-1)
à cetteéquation
par la transformation unitaire S :S étant telle que
S-lOCp,S
= -La matrice S =
ei03B603B1103B1203B1303B14
est une matriceconvenable,
laphase 03B6
étant371 POTENTIEL DANS LA THÉORIE DE L’ÉLECTRON DE DIRAC
arbitraire dans la
représentation adoptée,
enprenant 03B6 = 03C0 2,
nous auronsla matrice S réelle :
~ -+
Alors,
connaissant(x)(r)
pour xpositif,
nous en déduisons pour)(
négatif
et en utilisant la remarque concernant et nous obtenons :Les fonctions propres de
U, f ~x~m~( 8, ~)
devant être normées à l’unité surla
sphère
de rayon 1 :Ceci
implique : 1
ci1
=(A-m 2(2A+ 1) )1 2
,1 C3 1 = (A+m 2(2A- 1))1 2 1 . Nous avons
=
1 c1 |ei03B2,
c3= |ei03B3.
De
plus l’opération
U étanthermitien,
nous en déduisons que cos( fi - y)
= 0d’où
Finalement les fonctions propres orthonormées de U seront les
suivantes :
En
plus
de la relationd’orthogonalité (1-4),
lesfonctions/~~(0, cp)
vérifientaussi :
3. Relation de fermeture des
fonctions
propres de U.Titchmarsch
[16]
a montré que les fonctions d’ondes de Dirac formentun
système complet.
Lesf ~x~m~( 8, cp)
formant unsystème
orthonormé sur lasphère unité,
une condition suffisante pour que cesystème
soitcomplet
estque nous
puissions
écrire une relation de Parseval. SuivantTitchmarsch,
nous
rappellerons
que : siC(6, cp)
est une fonction de eet ~ possédant
undéveloppement
en séries deFourier,
onpeut
écrire :avec les coefficients
et la formule de Parseval :
Le
développement
deLegendre
dec(m)(6)
est :POTENTIEL CENTRAL DANS LA THÉORIE DE L’ÉLECTRON DE DIRAC 373 La formule de Parseval
correspondante
est :De
(1-7)
et(1-9),
nous déduisons :avec la formule de Parseval
correspondante
déduite de(1-8), (1-11) :
La série converge vers
0(6, cp)
si C est continue en(0,
ainsi ’ que ses dérivéesjusqu’au
second ordre.~~(e~ 9~)
Soit
~F(0, Cf>
=’Y (6 )
une fonction arbitraire àquatre composantes
’Y 3(6’ ’P)
de carré sommable sur lasphère.
Soit =
a(A,m)(1+03B14 2) + b(A,m)(1-03B14 2), a(A,m)
et étant définis de lafaçon
suivante :Nous allons calculer
Pour x >
0,
en utilisant(1-10) :
pour x 0 :
De même pour
ce
qui
s’écrit en réunissant les termes endi, d2
et ceux enda, d4
et enrempla-
çant
( x -1)
par x dans les termes end1(m,lx(-1), da(m, X-1),
et avecd9~ ~’
Si x >
1,
- x mx 2014 1,
le coefficientde 12
s’écrit :Ceci est
également
vrai si m = x, deplus
x) = 0 et le coefficientde d~{o~°~ ‘Z
est nul.Si x >
1,
- x mx - 1,
le coefficientde d2tm + I,,~) ~ ~
est :375
POTENTIEL CENTRAL DANS LA THÉORIE DE L’ÉLECTRON DE DIRAC
Ceci est
également
vrai si m = - x - 1 et si x =0,
m = - 1. Le termeen +
disparaît :
Nous avons les mêmes résultats pour les coefficients de
1
et1 ~~+1’~ ~
etfinalement,
il reste :ce
qui
s’écritd’après (1-12) :
Nous obtenons ainsi la relation de Parseval :
Les fonctions
F(0, cp)
doivent être telles quechaque composante
vérifieséparément
les conditions de convergence dudéveloppement
de Fourier-Legendre,
c’est-à-dire doit être continue et avoir des dérivéesjusqu’au
second ordre continues.
On a alors le
développement :
BARTHÉaMY
II. -
MÉTHODE
DESDÉPHASAGES
L’onde
plane
enpropagation
dans la direction de l’axe Oz avecspin
dans la direction
d’incidence,
normalisée sur lasphère
unité s’écrit :1.
Développement
dea(k)eikz
sur lesfonctions propres
de U.Écrivons :
Notre
développement s’exprime
par :avec :
ce
qui
nous donne en utilisant lesexpressions
deftx~~(6, ç)
données en(1-5)
et la relation :
POTENTIEL CENTRAL DANS LA THÉORIE DE L’ÉLECTRON DE DIRAC 377
Nous en déduisons :
2.
Amplitude
de diffusion.Puisque
nous étudions la diffusion d’un électron incident avecspin
dansla direction
d’incidence,
nous allonsconsidérer,
suivant en cela Mott etMassey [1],
une série infinie des fonctions d’ondes associées à des valeurs de xpositives
ounégatives,
de formeasymptotique
donnée :La direction du
spin
nous donne un momentcinétique
total dans la direc- tionOz,
donc m = 0. SoitLes fonctions
Fx(r)
etGx(r)
sont solutions dusystème (1-3).
SiV(r)
tendvers zéro
plus
vite que1 à l’infini,
alors les fonctionsFx(r)
etGx(r)
ont lescomportements asymptotiques
suivants :représentant
undéphasage
associé aupotentiel.
Par
suite,
en réunissant les termes en eikr et les termes ene-ikr,
W a lecomportement asymptotique :
avec :
Par ailleurs le
comportement asymptotique
dudéveloppement (11-2)
étant~ et ~ étant définis ci-dessus.
379
POTENTIEL CENTRAL DANS LA THÉORIE DE L’ÉLECTRON DE DIRAC
Nous avons donc :
La forme
asymptotique
de ~’ devant être donnée par(II-3),
nous dédui-sons de
l’expression précédente l’amplitude
de diffusion :Nous pouvons maintenant calculer la section efficace totale :
4
En
remarquant
que :¿ ga(8, ] 2 = g*t(0, ~) -g(8, cp),
avec :
on obtient finalement
après intégration
sur lesangles
0 et cp et utilisation des relations(1-6) :
ANN.BSST. POINCARÉ, A-Vt-4 26
M.-C. BARTHÉLEMY
Nous remarquons
immédiatement qu’à l’approximation
nonrelativiste,
obtenue en faisant tendre E vers ~., x = 1 pour x >
0,
x = - 1 - 1 pourx
négatif,
~1 = on retrouve :qui
estl’expression
bien connue de la section efficace dans le cas del’équa-
tion de
Schrôdinger. Quant
àl’amplitude
dediffusion,
on retrouve bien àpartir
de(II-4) l’amplitude
usuelle de diffusion deSchrôdinger :
Le facteur
/ 2014 1 2 qui
s’introduit icirovient
du fait que l’ondeplane
utiliséeB47T/
p qa été normalisée à un sur la
sphère
de rayon unité.3.
Approximation
de Born.Revenons à
l’équation
de Diracindépendante
dutemps :
En
appliquant
àgauche l’opérateur
E +(x p)
+ il vient en utilisantles
relations :
avec k2 = E2 -
tJ.2.
, - ~-+
Soit
a03BB(k0)eik0r
une ondeplane
incidente. En utilisant la fonction de Green associée aupremier
membre -G - - 1
nous obtenonsl’équation
intégrale:
’"
[
r - r’[
381
POTENTIEL CENTRAL DANS LA THÉORIE DE L’ÉLECTRON DE DIRAC
qui
devient enintégrant
parparties :
La forme
asymptotique
de(II-5) qui
nous donneral’amplitude
de diffusionest fournie par
(II-3)
et :-+
,
où k est le vecteur
impulsion
dans la direction(6, cp)
parrapport
à la direc--+
tion de
ko.
Nous avons ainsi uneexpression générale
pourl’amplitude
dediffusion.
L’approximation
de Born sera obtenue àpartir
de celle-ci en~
remplaçant 03A803BD(r)
sous lesigne intégral
par sonapproximation
d’ordre zéro-+ ~- - ,
r. Il vient :
que nous pouvons écrire sous la forme :
gnon reh
(6) représentant l’amplitude
de diffusioncorrespondant
àl’approxi-
mation de Born pour
l’équation
non relativiste deSchrôdinger.
Elle nedépend
que del’angle
0. Cetteexpression
est bien connue :Massey [2].
En utilisant la
représentation
habituelle des matrices a, a4 et enprenant
pour
a(ko)
lespineur
donné en(11-1), l’amplitude
de diffusion~(0, cp)
donnéeen
(II-6)
s’écrit :~
ANN. INST. POINCARÉ, A-V!-4 26*
En
comparant
avec(11-4)
on trouve :avec :
En
multipliant
àgauche
paret en
intégrant
sur lesangles, compte
tenu des relations(1-6)
on obtient :pour x > 0 :
383
POTENTIEL CENTRAL DANS LA THÉORIE DE L’ÉLECTRON DE DIRAC
pour x 0 :
Afin de calculer ces
intégrales,
nous allonsdévelopper respectivement :
sur le
système
desfonctions/~’~(0,
Nous obtenons :avec :
En
explicitant les ( 8, cp)
on obtient :Si nous reprenons
l’expression
gnonre1.(6)
définie en(II-6)
et si nous ladéveloppons
en série depolynômes
deLegendre, [2] Massey,
p.240,
nous obtenons :En
portant
ceci dans lesexpressions
de~3i
et~32 ci-dessus,
nous avonsaprès intégration
en 0 :avec :
POTENTIEL CENTRAL DANS LA THÉORIE DE L’ÉLECTRON DE DIRAC 385
et finalement :
avec
De la même manière en notant que :
on obtient
respectivement :
386
avec
avec
En revenant maintenant à
l’expression (II-7)
desdéphasages,
on a, en uti-lisant les
développements (II-10), (II-11 ), ( II-12)
et(II-13) :
1~ Pour x
positif :
POTENTIEL CENTRAL DANS LA THÉORIE DE L’ÉLECTRON DE DIRAC 387
En utilisant les relations
(1-6)
et les relations :on obtient finalement pour x
positif :
388
2~ Pour x
négatif :
de la même manière on obtient :
ce
qui
nous donneaprès
calculs pour xnégatif :
Finalement
l’approximation
de Born pour lesdéphasages
estéquivalente
aux
expressions (11-14)
et(11-15).
A
l’approximation
nonrelativiste, E+ 2
~1, 20142014
~,2014 qui
estnégli- geable, | x j
2014 1 =l,
on retrouvel’expression
bien connue[2] :
Nous pouvons
également
obtenir ledéveloppement
del’amplitude
de diffu-POTENTIEL CENTRAL DANS LA THÉORIE DE L’ÉLECTRON DE DIRAC 389
sion sur les fonctions
f ~~~( 8, ~)
pourl’approximation
de Born. Pour celanous utiliserons :
avec :
avec ::
En
portant
cesdéveloppements
dans(II-6)
nous obtenons :avec :
En
égalant
cedéveloppement
et ledéveloppement (II-4)
incluant lesdépha-
. sages, nous retrouvons bien
l’approximation
de Born pour lesdéphasages
donnée en
(II-14)
et(II-15).
4. Théorème
optique.
Reprenons l’expression générale
del’amplitude
de diffusion(II-4).
~(0, p)
étant essentiellementcomplexe,
nous pouvons l’écrire sous la forme :POTENTIEL CENTRAL DANS LA THÉORIE DE L’ÉLECTRON DE DIRAC 391
La
partie imaginaire
Im~(0, cp)
est donnée par :En faisant 0 =
0,
nous obtenons pour lapartie imaginaire
del’amplitude
dediffusion, l’expression :
De .
l’expression
P de la section efficace a= 403C0 k2 03A3|
k2( i
A sin2 ~A, on déduit que :A
l’approximation
non relativiste(E+ 2E’l ’
-+l, £ - 0,
on retrouvele théorème
optique
associé àl’équation
deSchrödinger :
Im
gi(0, q)
=(1 403C0)1 2 k03C3 403C0
tandis queq)
=tp)
= Irng,(0, tp) =
0.BARTHÉLEMY
Nous pouvons chercher la
première
correction relativiste endéveloppant (II-17)
suivant lespuissances
de k. On obtient :E
2E+ )1 2 ~ 1 - 8~.~
k2 8 2 et E -~-
k ~.
~ 2~.
k en se limitant au premier
p terme.°
(II-17)
devient :Ceci nous donne bien
l’approximation
non relativiste :et la
première
correction de relativité :Nous remarquons que cette correction
provient uniquement
de la variation(E + ~)t
du terme
2014.2014 .
Nous étudierons dans une seconde
partie qui paraîtra ultérieurement,
les
propriétés analytiques
des fonctions d’ondes radiales comme fonctions de laquantité
de mouvement réduite ~.BIBLIOGRAPHIE
[1]
N. F. MOTT et H. S. W. MASSEY,Theory
of Atomic Collisions. Clarendon Press, Oxford (2eédition),
1949.[2] H. S. W. MASSEY, Theory of Atomic Collisions. Atome II. Handbuch der
Physik,
vol. XXXVI, 1956, p. 232.[3] T. Y. Wu et T. OHMURA, Quantum
Theory
ofScattering.
PrenticeHall,
1962.[4] G. PARZEN, Phys. Rev.,
80,
1950, p. 261 ;Phys.
Rev.,81, 1951,
p. 808 ;Phys.
Rev.,
104,
1956, p. 835.[5] TIETZ, Acta phys. Hungaria,
12,
1960, p. 85.393
POTENTIEL CENTRAL DANS LA THÉORIE DE L’ÉLECTRON DE DIRAC
[6] D. M. FRADKIN, T. A. WEBER et C. L. HAMMER, Annals of Physics, 27, 1964,
p. 338.
[7] R. L. GLUCKSTERN et S. R. LIN, Phys. Rev., 136 3B, 1964, p. 859; Journal
of
Math.
Physics,
5, 1964, 11, p. 1594.[8] A. BAKER, Phys. Rev., 134, 1B, 1964, p. 240.
[9] FAXEN et HOLTZMARK, Z. Physik, 45, 1927, p. 307.
Lord RAYLEIGH, Theory
of
Sound, vol. II, 1896, p. 272.[10] N. F. MOTT, Proc. Roy. Soc., A,
124,
1929, p. 426.[11]
P. A. M. DIRAC, 1er Mémoire.[12] R. G. NEWTON, J.
of
Math. Phys., 1, n° 4, 1960, p. 319.[13] TEMPLE, Proc. Roy. Soc., A
127,
1930, p. 349-360.[14] SAUTER, Zeit. f. Phys.,
63,
1930, p. 803-814 ;64,
1930, p. 295-303.Voir aussi BECHERT, Zeit.